相對論和宇宙第1頁，課件共14頁，創作于2023年2月

相對論是現代物理學的理論基礎之一。論述物質運動與空間時間關系的理論。20世紀初由愛因斯坦創立并和其他物理學家一起發展和完善，狹義相對論于1905年創立，廣義相對論于1916年完成.狹義相對論提出兩條基本原理。（1）光速不變原理。即在任何慣性系中，真空中光速c都相同，與光源及觀察者的運動狀況無關。（2）狹義相對性原理是物理學的基本定律乃至自然規律，對所有慣性參考系來說都相同。

愛因斯坦的第二種相對性理論（1916年）。該理論認為引力是由空間——時間幾何（也就是，不僅考慮空間中的點之間，而是考慮在空間和時間中的點之間距離的幾何）的畸變引起的，因而引力場影響時間和距離的測量.

第2頁，課件共14頁，創作于2023年2月●

兩個基本原理：①由“追光實驗”的思考，他提出了建立狹義相對論的兩個基本原理中的一個即光速不變原理——光的傳播速度與慣性參考系的運動速度無關，因而與光源速度無關。②另一個基本原理是相對性原理——物理學的定律，即一切描寫運動規律的方程式在所有慣性系中具有相同的形式。●兩原理密切結合，不能分開，相對性原理好比“畫龍”，光速不變是愛因斯坦的“點睛”之筆。麥克斯韋方程在伽利略變換下，在不同慣性系中形式要變了，但在洛侖茲變換（后面介紹）下將保持不變，而洛侖茲變換正是在光速不變原理下導出的。”第3頁，課件共14頁，創作于2023年2月廣義相對論：

愛因斯坦的基于光速對所有的觀察者（而不管他們如何運動的）必須是相同的觀念的理論。它將引力按照四維空間—時間的曲率來解釋。狹義相對論和萬有引力定律，都只是廣義相對論在特殊情況之下的特例。狹義相對論是在沒有重力時的情況；而萬有引力定律則是在距離近、引力小和速度慢時的情況。第4頁，課件共14頁，創作于2023年2月狹義相對論和廣義相對論的區別是:前者討論的是勻速直線運動的參照系（慣性參照系）之間的物理定律，后者則推廣到具有加速度的參照系中（非慣性系），并在等效原理的假設下，廣泛應用于引力場中。相對論和量子力學是現代物理學的兩大基本支柱。經典物理學基礎的經典力學，不適用于高速運動的物體和微觀領域。

狹義相對論和廣義相對論的區別第5頁，課件共14頁，創作于2023年2月相對論的基本方程由相對論動量表達式可知：F=dp/dt，這是力的定義式，雖與牛頓第二定律的形式完全一樣，但內涵不一樣。（相對論中質量是變量）第6頁，課件共14頁，創作于2023年2月建立相對論:愛因斯坦于1915年進一步建立起了廣義相對論。他引入了一個等效原理，認為我們不可能區分引力效應和非勻速運動，即非勻速運動和引力是等效的。他進而分析了光線在靠近一個行星附近穿過時會受到引力而彎折的現象，認為引力的概念本身完全不必要。可以認為行星的質量使它附近的空間變成彎曲，光線走的是最短程線。基于這些討論，愛因斯坦導出了一組方程，它們可以確定由物質的存在而產生的彎曲空間幾何。利用這個方程，愛因斯坦計算了水星近日點的位移量.第7頁，課件共14頁，創作于2023年2月廣義相對論的實驗檢驗

在廣義相對論建立之初，愛因斯坦提出了三項實驗檢驗，一是水星近日點的進動，二是光線在引力場中的彎曲，三是光譜線的引力紅移。其中只有水星近日點進動是已經確認的事實，其余兩項只是后來才陸續得到證實。60年代以后，又有人提出觀測雷達回波延遲、引力波等方案。第8頁，課件共14頁，創作于2023年2月狹義相對論狹義相對論是由愛因斯坦在洛侖茲和龐加萊等人的工作基礎上創立的時空理論，是對牛頓時空觀的拓展和修正。愛因斯坦以光速不變原理出發，建立了新的時空觀。進一步，閔科夫斯基為了狹義相對論提供了嚴格的數學基礎，從而將該理論納入到帶有閔科夫斯基度量的四維空間之幾何結構中。狹義相對論還有一個質量隨運動速度而增加的結論,實驗中發現，高速運動的電子的質量比靜止的電子的質量大。第9頁，課件共14頁，創作于2023年2月狹義相對論-歷史背景及重要實驗基礎

牛頓力學是狹義相對論在低速情況下的近似。

伽利略變換與電磁學理論的不自洽

到19世紀末，以麥克斯韋方程組為核心的經典電磁理論的正確性已被大量實驗所證實，但麥克斯韋方程組在經典力學的伽利略變換下不具有協變性。而經典力學中的相對性原理則要求一切物理規律在伽利略變換下都具有協變性。在這樣的背景下，才有了狹義相對論

第10頁，課件共14頁，創作于2023年2月彎曲時空中的量子場論

作為現代物理中粒子物理學的基礎，通常意義上的量子場論是建立在平直的閔可夫斯基時空中的，這對于處在像地球這樣的弱引力場中的微觀粒子的描述而言是一個非常好的近似。而在某些情形中，引力場的強度足以影響到其中的量子化的物質但不足以要求引力場本身也被量子化，為此物理學家發展了彎曲時空中的量子場論。這些理論借助于經典的廣義相對論來描述彎曲的背景時空，并定義了廣義化的彎曲時空中的量子場理論。通過這種理論，可以證明黑洞也在通過黑體輻射釋放出粒子，這即是霍金輻射，并有可能通過這種機制導致黑洞最終蒸發。如前文所述，霍金輻射在黑洞熱力學的研究中起到了關鍵作用。第11頁，課件共14頁，創作于2023年2月量子引力

物質的量子化描述和時空的幾何化描述之間彼此不具有相容性，以及廣義相對論中時空曲率無限大（意味著其結構成為微觀尺度）的奇點的出現，這些都要求著一個完整的量子引力理論的建立。這個理論需要能夠對黑洞內部以及極早期宇宙的情形做出充分的描述，而其中的引力和相關的時空幾何需要用量子化的語言來敘述。盡管物理學家為此做出了很多努力，并有多個有潛質的候選理論已經發展起來，至今人類還沒能得到一個稱得上完整并自洽的量子引力理論。第12頁，課件共14頁，創作于2023年2月總結愛因斯坦的廣義相對論理論在天體物理學中有著非常重要的應用：它直接推導出某些大質量恒星會終結為一個黑洞——時空中的某些區域發生極度的扭曲以至于連光都無法逸出。有證據表明恒星質量黑洞以及超大質量黑洞是某些天體例如活動星系核和微類星體發射高強度輻射的直接成因。光線在引力場中的偏折會形成引力透鏡現象，這使得人們能夠觀察到處于遙遠位置的同一個天體的多個成像。廣義相對論還預言了引力波的存在，引力波已經被間接觀測